Внедрение регулируемого электропривода исполнительных механизмов буровой установки обеспечивает возможность оптимального выполнения технологических процессов про - іюдки скважин, повышение их качества и технико­экономических показателей в результате применения систем автоматического управления.

Совершенствование и развитие автоматизации основных исполнительных механизмов технологического комплекса бу­ровой установки включает в себя ряд направлений, к кото­рым можно отнести:

повышение степени механизации и переход от частичной механизации и автоматизации к комплексной автоматизации всего технологического комплекса проведения работ;

улучшение качества технологических режимов на основе внедрения высокоэффективных микропроцессорных систем управления, в том числе адаптивных;

разработка информационных устройств измерения техно­логических параметров, систем контроля и защиты;

создание устройства диагностики механизмов и систем ■электропривода.

Разработка и внедрение управляющих устройств опти­мального управления технологическим процессом (с фор­мированием режимов, оптимальных по заданному крите­рию качества) целесообразны прежде всего для систем управления бурением и машинными операциями по спуску и подъему, охватывающим два основных технологических режима, в которых взаимодействуют наиболее энергоемкие механизмы установки, а требуемый эффект обусловлен непосредственным воздействием на систему электро­привода.

Улучшение качества технологических режимов в резуль­тате внедрения САУ связано с введением как прямого циф­рового управления, так и управляющих устройств всех уров­ней автоматизации от локальных регуляторов до системы управления комплексом механизмов.

В общем виде система управления электропривода вклю­чает ряд подсистем: включения, регулирования, контроля, защиты и блокировки, информационную и диагностики. Применение микроЭВМ обеспечивает принципиальную воз­можность реализации всех указанных выше задач управле­ния на единой аппаратной основе. Поэтому, наряду с основ­ными задачами САУ, приведенными в табл. 6.9, возникает ряд дополнительных. Например, возможность введения в комплектный электропривод систем диагностики на базе микроЭВМ должна быть рассмотрена применительно ко всем ■электроприводам исполнительных механизмов буровой уста­новки.

Задачи систем управления в подсистемах преобразования и использования электроэнергии иа буровой установке Электроприводной механизм Функции механизма в основных прозводст - венных операциях Задачи САУ Роторный стол Регулятор подачи долота Буровой насос Циркуляционная система Обеспечение при ро­торном бурении момен­та на породоразру­шающем инструменте и частоты его вращения; ограничение значения крутящего момента, передаваемого через КБТ; постоянное или периодическое враще­ние КБТ с фиксирован­ной малой скоростью при турбинном бурении Подача породоразру­шающего инструмента на забой в заданном диапазоне скоростей; поддержание рацио­нального значения осе­вой нагрузки на долото с определенной точно­стью Подача промывочной жидкости в скважину при бурении, промывке и восстановлении цир­куляции; создание по­тока жидкости для под­вода энергии к Турбо - буру Приготовление бурово­го раствора и регулиро­вание его физико­химических свойств; очистка бурового рас­твора; долив раствора в скважину Выбор оптимального значе­ния частоты вращения при заданной нагрузке на долото с учетом текущих параметров технологического режима; определение оптимальной траектории изменения часто­ты вращения долота в тече­ние рейса; регулирование уставки ограничения — зна­чения крутящего момента в функции режима работы до­лота и КБТ; сигнализация о возможности перегрузки Выбор оптимального значе­ния осевой нагрузки на доло­то в зависимости от техноло­гических и геологических факторов и поддержания это­го значения при изменении параметров режима Выбор оптимального значе­ния расхода промывочной жидкости в зависимости от конструкции скважины и технологических параметров режима. Автоматическое из­менение частоты ходов насо­са в соответствии с опти­мальным законом регулиро­вания и характеристикой турбобура; демпфирование колебаний давления и расхо­да на выходе насоса Дистанционное управление электроприводами механиз­мов системы по заданной программе; автоматическая дозировка и транспортировка материалов и химических реагентов; регулирование физико-химических свойств бурового раствора путем ав­томатизированной добавки реагентов; автоматический долив раствора в скважину при спускоподъемных опера­циях

Электроприв одной механизм	Функции механизма в основных производ­ственных операциях	Задачи САУ
Спускоподъемный агрегат Комплекс меха­низмов спуска - подъема Комплектное рас­пределительное устройство	Разгон, перемещение с установившейся скоро­стью, замедление и ос­тановка в заданном по­ложении КБТ или неза­груженного элеватора в сторону подъема или спуска. Обеспечение согласованности во времени работы лебед­ки, клиньев, ключа, стрелы и тележки ком­плекса механизмов спуска-подъема. Огра­ничение темпа разгона КБТ в сторону спуска Механизированное вы­полнение операций по переносу свечи Питание тиристорных преобразователей глав - ных электроприводов, а также собственных нужд и вспомогатель­ных механизмов; пере­ключение коммутаци­онных аппаратов с це­лью выбора соответст­вующих схем распреде­ления электроэнергии	Определение оптимального темпа разгона, значения ус­тановившейся скорости и траектории замедления, обеспечивающих точную ос­тановку в функции нагрузки на крюке; реализация опти­мального управления пере­мещением крюка. Программ­ное управление с выдачей команд на сопряженные ме­ханизмы; автоматическое ог­раничение темпа разгона в соответствии с допустимым ускорением Автоматическое управление последовательностью опера­ций по переносу свечи; про­граммное управление расста­новкой свечей; согласованное управление механизмами комплекса во времени Автоматическое выполнение переключений в соответствии с заданной программой и матрицей переключений; ав­томатический переход с од­ной системы шин на другую в аварийной ситуации

Задачи и функции САУ должны быть конкретизированы в соответствии со специфическими особенностями исполни­тельного механизма.

Рассмотрим электроприводы основных механизмов буро­вой установки.

Электропривод буровых насосов. При роторном бурении буровой насос оказывает влияние в основном на качество промывки скважины и охлаждение долота; при турбинном — обеспечивает подвод энергии к забойному двигателю и не­посредственно участвует в управлении режимом бурения. Поскольку вид бурения для установки заранее не определен и в ходе проводки глубокой скважины может осуществляться

переход с роторного на турбинное бурение и наоборот, САУ электропривода должна быть унифицированной.

Значительное увеличение производительности бурения может быть достигнуто применением адаптивной САУ, кото­рая на основе информации о расходе и параметрах промы­вочной жидкости, механической скорости, глубине скважины и других параметрах бурения автоматически регулирует час­тоту вращения (и, соответственно, производительность насо­са) в процессе углубления скважины с периодической заме­ной гидравлической характеристики забойных механизмов.

Одновременно САУ электропривода насоса может обеспе­чить демпфирование колебаний давления и расхода промы­вочной жидкости на выходе, обусловленных конструктивны­ми особенностями поршневых насосов.

К другим функциям микропроцессорной САУ электропри­вода бурового насоса можно отнести:

поддержание оптимального значения регулируемой вели­чины с периодическим изменением уставки в соответствии с принятым законом регулирования;

решение задач контроля и защиты технологического про­цесса;

обеспечение контроля и диагностики тиристорного элек­тропривода постоянного или переменного тока;

программное управление режимом промывки скважины и восстановления циркуляции.

По мере развития телеметрических средств контроля тех­нологического процесса, в частности, датчиков момента и частоты вращения турбобура, измеряющих эти параметры процесса непосредственно, алгоритм управления режимом турбинного бурения может быть перестроен.

В двухуровневой структуре САУ задачи выбора и расчета значений управляемых величин может выполнять информа - ционно-управляющий комплекс, а непосредственное управ­ление электроприводом в соответствии с заданным режи­мом — микропроцессорный контроллер, встроенный в ком­плектное устройство управления электроприводом.

Электропривод ротора. Производительность роторного бурения зависит от сочетания частоты вращения долота, осе­вой нагрузки на долото, расхода промывочной жидкости, фи­зических свойств буримых пород и других факторов. Много­образие факторов, связанных с процессом взаимодействия долота с породой, сложность и взаимосвязанность этих фак­торов в значительной степени затрудняют получение мате­матической модели, адекватно отражающей процесс бурения.

Одной из задачи САУ электропривода ротора является вы­бор оптимального управляющего воздействия в условиях взаимосвязанного управления рядом исполнительных меха­низмов и отсутствия строгого математического описания процесса. Решение этой задачи возможно на основе исполь­зования адаптивных систем управления на базе ЭВМ. Прин­ципы построения САУ с адаптивными моделями глубокого роторного бурения заключаются в использовании однотакт - ной схемы идентификации параметров модели и пассивного слежения за их изменением; использовании декомпозиции критерия оптимизации на составляющие по виду износа ин­струмента (по опоре и вооружению долота) и определении вида износа, на который следует ориентироваться при нахо­ждении оптимальных управляющих воздействий.

При этом автоматическое управляющее устройство адап­тации может включать;

структуру индентификатора, последовательный адаптивно­итеративный алгоритм которого дает возможность получать значения оценок параметров модели по однократному испы­танию объекта управления;

структуру, в основе построения которой использован ал­горитм управления, обеспечивающий чередование режима идентификации параметров модели с формированием управ­ляющих воздействий (нагрузки на долото и скорости его вращения), Полученная информация может быть использова - па для изучения объекта управления в процессе эксплуата­ции;

структуру, использующую алгоритм распознавания вида отработки долота и обеспечивающую при формировании оп­тимальных управляющих воздействий максимального значе­ния критерия оптимизации при изменяющихся условиях функционирования объекта.

Другой задачей САУ электропривода ротора является оп­тимальное управление частотой вращения ротора, направ­ленное на обеспечение максимального использования уста­новленной мощности привода, Эта задача связана с необхо­димостью регулирования частоты вращения ротора в функ­ции глубины скважины, от рейса к рейсу, от начала рейса к •'го концу, а также в зависимости от физических свойств бу­римых пород и интенсивности режима промывки.

Задачей САУ может быть также непосредственное управ­ление электроприводом ротора в реальном масштабе времени с частотой квантования, достаточной для измерения текущих значений управляемых величин, вычисления оптимальных значений управляющий воздействий, сравнения текущих значений с оптимальными и выполнения действий, направ­ленных на их сближение.

К задачам САУ также можно отнести:

ограничение момента, передаваемого на КБТ (уставка мо­жет быть регулируемой, с учетом изменения конструкций КБТ и режима работы долота);

решения других задач контроля и защиты технологическо­го процесса в соответствии с заданным алгоритмом;

обеспечение контроля и диагностики работы тиристорного электропривода.

При двухуровневой структуре САУ задача расчета управ­ляющих воздействий может быть передана информационно - управляющему комплексу верхнего уровня, а непосредствен­ное управление электроприводом — локальной САУ.

Электропривод спускоподъемного агрегата. Цели автоматизации спускоподъемного агрегата (СПА) — увеличение производительности, уменьшение динамических усилий в механических узлах за счет формирования заданного закона управления, оптимизация энергетических показателей работы буровой установки, улучшение работы обслуживающего персонала. Увеличение производительности СПА можно достичь сокращением времени операций пуска и торможения, а уменьшение динамических нагрузок — ограничением ускорения (замедления).

Поскольку СПА работает в режимах дискретного измене­ния от цикла к циклу активной нагрузки, для получения кратчайшего времени разгона (торможения) необходимо в каждом цикле корректировать темп изменения выходного сигнала задатчика интенсивности в функции веса КБТ. При этом должны быть учтены ограничения, связанные как с ме­ханической частью СПА (ускорение не должно превышать допустимого значе’ния), а так и на ток якоря электродвигате­ля. При двухзонном регулировании скорости также необхо­димо учитывать изменение магнитного потока электродвига­теля.

Задатчик интенсивности с переменным коэффициентом усиления для решения подобной задачи может быть реализо­ван на базе микропроцессорной техники. Функциональная схема САУ буровой лебедки с микроЭВМ в качестве про- граммно-задающего устройства приведена на рис. 6.14, а.

С помощью ЭВМ решается задача формирования опти­мального движения КБТ при пуске и на установившейся ско­рости. При этом регулятор мощности РМЛ и задатчик интен-

еивности ЗИ реализуются соответствующей программой IBM.

В режиме замедления и точной остановки изменяется (труктура управляющего устройства. Программы РМЛ и ’.И не работают, обработка информации ведется с помощью программ «задатчик положения — регулятор положения» (ЗП — РП) (рис. 6.14, б]. До начала торможения предваритель­но решаются уравнения задатчика положения для нахожде­ния расчетного значения тормозного пути. Когда расстояние до уровня точной остановки становится равным заданному пути, начинает работать программа, решающая уравнения с истемы регулирования положения. В результате на вход ре­гулятора скорости через устройство сопряжения с объектом подается сигнал U,.c, обеспечивающий заданный закон изме­нения пути торможения во времени.

Основную долю времени цикла подъема или спуска КВТ составляет продолжительность установившегося движе­ния. Выбор скорости перемещения рабочего органа в дейст­вующих в настоящее время буровых установках осуществля­ется по закону постоянства мощности с помощью регулято­ров мощности.

Применяемые в настоящее время аналоговые регуляторы мощности отличаются невысокой стабильностью, обуслов­ленной использованием нелинейных функциональных преоб­разователей, дрейфом операционных усилителей и др., что отражается на точности отработки закона регулирования и, с оответственно, производительности. Однако главный резерв повышения производительности при использовании ЭВМ представляет возможность реализации более целесообразного мкона регулирования.

Регулирование по закону постоянства мощности опти­мально по критерию кратчайшего времени перемещения только при постоянной относительной продолжительности пключения привода. Длительность же рабочего цикла СПА — иоличина переменная, она изменяется от цикла к циклу, в то нремя как длительность вспомогательных операций при су­ществующем в настоящее время их уровне механизации и іінтоматизации остается величиной практически постоянной. Таким образом, для электропривода СПА относительная про­должительность включения — величина переменная, умень­шающаяся по мере снижения веса КБТ и повышения скоро­сти подъема. В связи с изложенным в качестве критерия оп­тимизации может быть принято постоянство уровня потерь в якоре электродвигателя.

б

Рис. 6.14. Функциональная схема САУ буровой лебедки с микроЭВМ в каче - | гве программно-задающего устройства в режиме замедления (а) и точной

остановки (б):

1'МД — регулятор мощности; ЗИ - задатчик интенсивности; ЗП, РП — co - їм нотственно задатчик и регулятор положения; ДВ — датчик веса КБТ;

Г„ —сигналы задания соответственно положения и скорости; 1/р — опера - юр интегрирования; ю — угловая скорость вала буровой лебедки; Se — угол поворота вала буровой лебедки; Скр — вес крюка

Аналитическое выражение закона регулирования при этом имеет сложный характер, и его реализация требует примене­ния средств цифровой вычислительной техники.

Следует отметить, что специфика загрузки СПА машин­ными операциями, обусловленная необходимостью много­кратного подъема КБТ с различных глубин, заключается в том, что циклы с малыми нагрузками выполняются во много раз чаще, чем циклы с нагрузкой, близкой к номинальной.

І Іозтому сокращение длительности машинного цикла при ма­лых нагрузках, обусловленное переходом к управлению по критерию постоянства электрических потерь в якоре элек­тродвигателя, может дать существенное уменьшение суммар­ного времени спускоподъемных операций за период проход­ки скважины.

Возможности совершенствования динамических режимов работы СПА не исчерпываются рассмотренными выше зако­нами. С появлением возможности обработки информации о динамических нагрузках в канате на микроЭВМ можно воз­ложить задачу подавления колебательных нагрузок при спус­коподъемных операциях средствами электропривода путем корректировки управляющих воздействий с учетом значений усилий в канате их первой и второй производных и т. д.

Мультипрограммный режим работы микроЭВМ позволяет одновременно с выполнением программ осуществлять кон­троль и диагностику основных узлов СПА.

Вспомогательные механизмы буровой установки. Значи­тельная часть времени (примерно четверть всего производи­тельного времени строительства скважины) затрачивается на приготовление, утяжеление и обработку бурового раствора. Механизация и автоматизация этих трудоемких процессов обеспечивают значительную экономию материальных и тру­довых ресурсов. Чтобы обеспечит соответствие параметров бурового раствора заданным, управляющая ЭВМ при откло­нении этих параметров от заданного значения вырабатывает управляющие воздействия на механизмы системы растворо - < тгабжения в виде добавок реагентов, утяжелителей и т. д.

При двухуровневой САУ на верхнем уровне может обра­батываться текущая информация о количестве и качестве бу­рового раствора и рассчитываться необходимый объем доба­вок в буровой раствор, а регулирующие воздействия могут быть реализованы локальными контроллерами,

При комплексном управлении электроприводами меха­низмов, обеспечивающих технологический процесс углубле­ния скважины, возможно дистанционное регулирование ме­ханизмов, осуществляющих очистку бурового раствора от выбуренной породы. Однако это требует оснащения этих ме­ханизмов регулируемыми электроприводами.

Кроме того, технологический комплекс приготовления и регулирования бурового раствора может быть оснащен дис­танционным управлением следующими процессами: приема и хранения порошкообразных материалов; дозирования и пода­чи сыпучих материалов и химических реагентов; приготовле­ния маточного раствора; очистки бурового раствора от выбу­ренной породы; химической обработки и утяжеления буро­вого раствора; регенерации утяжелители и др.

При использовании микроЭВМ на нее также могут быть возложены задачи по регулированию параметров бурового раствора при глушении скважины, при инклинометрии ство­ла скважины и в режимах наклонно направленного бурения.

Другим важнейшим вспомогательным механизмом, опре­деляющим производительность буровой установки, является механизм переноса свечи при спускоподъемных операциях. Задачей САУ электроприводом тележки является обеспечение замедления и точной остановки против заданной кассеты (или, при возврате в нулевое положение, против центра скважины). Для контроля положения тележки могут служить датчик, установленный на тележке, и магнитные шунты (флажки), расположенные вдоль пути тележки в определен­ных местах относительно осей кассет и центра скважины. Датчик положения при прохождении каждого шунта выдает импульс в систему логического управления, которая ведет счет импульсов и подает сигналы в САУ замедления и точной остановки, При этом микроЭВМ управляет последовательно­стью работы механизмов и обеспечивает расстановку свечей в строго определенном порядке.

Диагностика электроприводов с использованием микро­процессоров. Целями систем диагностики являются проверка работоспособности комплектных систем электропривода, со­держащих тиристорные преобразователи, электродвигатели, датчики, микропроцессорные средства управления и др., а

также диагностика неисправностей, позволяющая макси­мально сократить время восстановления.

Система диагностики может обеспечить: проверку работоспособности микропроцессора, программ­ного обеспечения;

проверку исправности силовых тиристоров, предохраните­лей и систем управления преобразователями; контроль включения вентиляторов;

сигнализацию о состоянии преобразователя и электропри­вода («готов к работе», «не готов к работе»), потере питания электроэнергией, превышении ограничения по току, мгно­венном значении тока, скорости двигателя, напряжении, тем­пературе в шкафу, отказе силового тиристора и предохрани­теля (с указанием номера).

К указанным функциям могут быть добавлены технологи­ческие защиты и блокировки, а также специфические задачи для конкретного электропривода.

Также следует отметить, что задача диагностики тири­сторного электропривода является общей для широкой но­менклатуры электроприводов и должна решаться по мере то­го, как в промышленности будут отработаны унифицирован­ные технические решения с учетом специфики конкретного электропривода.